數(shù)字化變電站在油田電網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究

李源澤 單國輝

1武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 2大慶油田電力集團(tuán)電力工程設(shè)計(jì)院

數(shù)字化變電站在油田電網(wǎng)應(yīng)用的可行性研究

李源澤1單國輝2

1武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 2大慶油田電力集團(tuán)電力工程設(shè)計(jì)院

數(shù)字化變電站以電子式互感器代替了常規(guī)電磁型互感器，以交換式以太網(wǎng)和光纜組成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)替代了以往的二次連接電纜回路；依托電網(wǎng)已有光纖通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電力數(shù)字化。國內(nèi)數(shù)字變電站的建設(shè)模式主要有50%建設(shè)模式、70%建設(shè)模式和100%建設(shè)模式3種。數(shù)字化變電站將站內(nèi)不同專業(yè)進(jìn)行整合，將保護(hù)、RTU、低周低壓減載、故障錄波、計(jì)量、微機(jī)無防等整合到1個(gè)IED中，同時(shí)將電網(wǎng)的運(yùn)行及管理進(jìn)行了整合。

數(shù)字化變電站；IEC61850；電子式互感器

1 數(shù)字化變電站簡介

1.1 發(fā)展概述

數(shù)字化變電站以電子式互感器代替了常規(guī)電磁型互感器，以交換式以太網(wǎng)和光纜組成的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)替代了以往的二次連接電纜回路；基于微電子技術(shù)的IED(智能電子裝置)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了信息的集成化應(yīng)用；智能化一次設(shè)備技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得控制回路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化應(yīng)用，常規(guī)變電站部分控制功能可以直接下放，整個(gè)變電站可實(shí)現(xiàn)小型化、緊湊化的設(shè)計(jì)與布置。一次設(shè)備的智能化以及二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，使數(shù)字式變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的結(jié)合更加緊密，依托電網(wǎng)已有光纖通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電力數(shù)字化。

1.2 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

（1）采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到不同廠家產(chǎn)品互聯(lián)互通。

（2）數(shù)字信號(hào)可以用光纖傳輸，從根本上解決干擾問題。信息共享可以減少諸如備用電源、自投等裝置，可靠性提高。

（3）設(shè)計(jì)、建設(shè)、擴(kuò)容、維護(hù)維修簡單。大量的信息共享節(jié)省裝置，建設(shè)中減少了電纜的敷設(shè)和由此引起的驗(yàn)證，擴(kuò)容時(shí)只需在一次設(shè)備處增加相應(yīng)的就地?cái)?shù)字化裝置，變電站層僅需軟件配置而不需增加硬件，一次設(shè)備和控制室間連接也只需數(shù)根光纜和幾對(duì)電源線。

2 油田電網(wǎng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)狀

大慶油田電網(wǎng)現(xiàn)有110 kV變電站31座，其中常規(guī)變電站17座，新建或通過改造實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的變電站14座；35 kV變電站254座，其中常規(guī)變電站100多座。存在的主要問題如下：

（1）變電站自動(dòng)化設(shè)備廠家多，設(shè)備種類及品種較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有10余個(gè)廠家的不同系列產(chǎn)品在網(wǎng)運(yùn)行，導(dǎo)致運(yùn)營維護(hù)及擴(kuò)建成本高，變電站增容改造時(shí)電流互感器更換頻繁。

（2）由于各個(gè)廠家的設(shè)備通訊接口與規(guī)約的不一致，造成每個(gè)廠家均需要配置通訊管理機(jī)進(jìn)行通訊的轉(zhuǎn)換，由此造成設(shè)備費(fèi)用增加與通訊的不可靠性增大。

（3）油田電網(wǎng)各變電站的保護(hù)裝置全部是采用傳統(tǒng)二次電纜接到電流（電壓）互感器及開關(guān)機(jī)構(gòu)等常規(guī)一次設(shè)備上，二次電纜眾多，建設(shè)、檢修及變電所增容時(shí)停電時(shí)間長。

3 油田電網(wǎng)變電站數(shù)字化建設(shè)

3.1 數(shù)字化變電站模式和建設(shè)方案

國內(nèi)數(shù)字化變電站的建設(shè)模式主要有3種，詳見圖1。現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，并研究確立油田數(shù)字化變電站方案。

（1）方案一，50%建設(shè)模式。該方案只在變電站層采用滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化裝置，其配置與現(xiàn)行的變電站自動(dòng)化配置相同，只是提高了系統(tǒng)的互換性和互操作性。間隔層采用雙以太網(wǎng)方案，配置管理機(jī)是為了配合目前調(diào)度規(guī)約，將來可以取消。間隔層雙網(wǎng)可以互為備用，也可以一個(gè)網(wǎng)絡(luò)專門進(jìn)行不同間隔地交流GOOSE信息，另一個(gè)為至調(diào)度的規(guī)約。間隔層設(shè)備與一次設(shè)備之間還是以電纜方式連接。此為過渡方案，建議在常規(guī)變電站改造及升級(jí)改造中采用，以充分利用IEC61850的互操作性及通訊上的優(yōu)勢(shì)。

（2）方案二，70%建設(shè)模式（1）。該方案為間隔層和變電站層滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化方案，其配置智能單元及合并單元采集過程層信息，設(shè)備間采用光纖以太網(wǎng)通訊，取消大部分控制電纜。每個(gè)斷路器的操作及狀態(tài)采集要配置一臺(tái)斷路器智能終端來完成，智能終端具有操作回路、開關(guān)量信號(hào)采集及控制等功能，控制及遙信采用GOOSE完成。電壓合并單元完成每段電壓互感器數(shù)字化輸出的采集并轉(zhuǎn)換成IEC 61850-9-1規(guī)約的數(shù)字信號(hào)；電流合并單元完成電流互感器數(shù)字化輸出的采集并轉(zhuǎn)換成IEC 61850-9-1規(guī)約的數(shù)字信號(hào)。這樣過程層的電壓、電流、狀態(tài)以及下行的開關(guān)量控制均匯集到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，這也就是過程層。由于本方案采用一對(duì)一的結(jié)構(gòu)方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和IED性能要求都不高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易于被用戶接受，但是設(shè)備投資較高，所以適合大型的高壓、超高壓變電站應(yīng)用。此方案具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、功能強(qiáng)、技術(shù)指標(biāo)高、信息共享程度高、綜合造價(jià)低、設(shè)計(jì)簡易和建設(shè)施工快等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于中小規(guī)模的變電站性價(jià)比高，適合在油田電網(wǎng)應(yīng)用。

（3）方案三，70%建設(shè)模式（2）。該方案為間隔層和變電站層滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化方案，面向?qū)ο蟮臄?shù)字化方案，比如按進(jìn)線間隔、主變間隔、低壓出線間隔等間隔進(jìn)行對(duì)象劃分，對(duì)所有間隔的電壓互感器、電流互感器、開關(guān)量、控制量和其他模擬量信息按IEC 61850-9-2及GOOSE規(guī)約格式數(shù)字化，僅用一臺(tái)裝置完成了一個(gè)間隔合并單元和智能終端的功能。采取“就地”化的方案，采用在靠近一次設(shè)備間隔進(jìn)行間隔信息數(shù)字化，而不推薦把數(shù)字化工作放到控制室?！熬偷?cái)?shù)字化”可以接傳統(tǒng)的電磁互感器，也可以接電子式互感器，模擬電子式互感器數(shù)字量輸出。此方案可以考慮在110 kV樞紐站110 kV個(gè)別間隔進(jìn)行數(shù)字化變電站的部分間隔試點(diǎn)。由于ECT的線性范圍非常大，采用電子式互感器可以改善高壓保護(hù)特性，在原有的GIS上進(jìn)行開關(guān)間隔的GOOSE信息通訊以積累經(jīng)驗(yàn)。由于一次設(shè)備的智能化產(chǎn)品尚不成熟，不易于大面積采用智能的一次設(shè)備。

3.2 對(duì)油田電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)方式的影響

（1）數(shù)字化變電站與現(xiàn)有的調(diào)度接口。數(shù)字化變電站建成后與調(diào)度可以遵循104、101、CDT等規(guī)約通訊，待調(diào)度升級(jí)可以運(yùn)行IEC 61850規(guī)約后，能夠?qū)崿F(xiàn)通信的無縫接口。集中抄表系統(tǒng)可以接入數(shù)字化變電站，由通訊服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度和電網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

（2）各種試驗(yàn)方案的針對(duì)性。傳統(tǒng)的電流互感器和電壓互感器都是基于變壓器電磁耦合原理，其二次繞組輸出均為模擬量電流或電壓信號(hào)；模擬量信號(hào)由二次回路輸入微機(jī)保護(hù)裝置后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)供保護(hù)裝置計(jì)算處理。而電子式互感器由于直接輸出了數(shù)字式信號(hào)供保護(hù)裝置處理，去除了許多中間環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語

隨著通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速度越來越快，網(wǎng)絡(luò)可靠性越來越高，處理器速度越來越快，而且處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備價(jià)格也會(huì)越來越低，軟件平臺(tái)也會(huì)越來越豐富，也就是說IEC 61850基于通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)的平臺(tái)，給數(shù)字化變電站提供了高技術(shù)和低成本的保證。

完整的電網(wǎng)控制要求更多貼近一次設(shè)備的信息實(shí)時(shí)、可靠地傳送到調(diào)度，并可以在調(diào)度室實(shí)時(shí)控制，這正是數(shù)字化變電站建設(shè)的意義。調(diào)度可以以IP地址無縫、實(shí)時(shí)訪問到任何一個(gè)一次設(shè)備間隔，這構(gòu)建了調(diào)度的“扁平式”的結(jié)構(gòu)。數(shù)字化變電站將站內(nèi)不同專業(yè)進(jìn)行整合，將保護(hù)、RTU、低周低壓減載、故障錄波、計(jì)量、微機(jī)無防等整合到1個(gè)IED中，同時(shí)能夠?qū)㈦娋W(wǎng)的運(yùn)行及管理進(jìn)行整合。所以，數(shù)字化變電站是電力自動(dòng)化未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本文測(cè)重于油田電網(wǎng)數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究，其結(jié)論同樣適用于國內(nèi)單母線分段、橋式接線等二級(jí)電網(wǎng)變電站數(shù)字化建設(shè)。

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.036

（欄目主持 關(guān)梅君）